автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Совершенствование конструкции, уточнение расчета и оптимальные параметры стального круглого бункера

На правах рукописи

Ягофаров Анвар Хабидович

Дч

Совершенствование конструкции, уточнение расчета и оптимальные параметры стального круглого бункера

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 2005

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения» Министерства путей сообщения Российской Федерации (УрГУПС МПС РФ)

Научный руководитель заслуженный деятель науки РФ, член-корреспондент РААСН, доктор технических наук

Официальные оппоненты: -доктор технических наук, профессор -кандидат технических наук, доцент

Скоробогатов Семен Макеевич

Кузнецов Иван Леонидович Крохалев Владимир Григорьевич

Ведущая организация - ЗАО институт Проектстальконструкция (г.Екатеринбург)

Защита состоится 25 марта 2005 г в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 212.285.06 при Уральском государственном техническом университете - УПИ по адресу: Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19, УГТУ-УПИ, ауд. С-203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «25» февраля 2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета "—4—

кандидат технических наук,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Во многих отраслях промышленности и сельского хозяйства возникает потребность в хранении сыпучих материалов. Наиболее подходящими сооружениями для этих целей служат бункера. Большое распространение получили стальные бункера как наиболее удобные в изготовлении и эксплуатации.

Бункера используются уже более ста лет. Несмотря на давний срок применения, работа конструкций бункеров исследована мало. Особенно это относится к стальным круглым бункерам. Они представляют более прогрессивное конструктивное решение благодаря использованию экономичных конической и цилиндрической оболочек, испытывающих, в основном, растягивающие усилия.

Традиционная методика расчета базируется на плоской схеме, что противоречит требованию главы СНиП 2.09.03-85 «Сооружения промышленных предприятий», предписывающей учитывать пространственную работу бункеров.

Диссертационная работа посвящена проблеме совершенствования конструкции и уточнения расчета стального круглого бункера.

Целью работы является совершенствование конструкции и уточнение расчета стального круглого бункера, в том числе с учетом сыпучего материала заполнения как несущего элемента бункера. Новое решение позволит исключить основные недостатки традиционного круглого бункера.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1) проанализировать и обобщить опыт проектирования, строительства и эксплуатации существующих бункеров;

2) получить аналитические выражения геометрических параметров бункера для общего случая наклонной воронки и частного случая прямой воронки;

3) выполнить теоретические исследования напряженно-деформированного состояния конструкций бункера с учетом полученных геометрических параметров и пространственной работы воронки;

4) теоретически оценить роль сыпучего материала в совместной работе с воронкой и опорами;

5) экспериментально проверить достоверность основополагающих предпосылок расчетной схемы бункера;

6) исследовать напряженно-деформированное состояние экспериментального бункера на конечно-элементной модели на программном комплексе "Лира-Wmdows". Полученные данные сравнить с экспериментальными;

7) на основании полученных экспериментально-теоретических исследований разработать инженерный метод расчета предложенного автором круглого бункера;

8) определить оптимальные параметры бункера по критерию минимального расхода стали.

Научную новизну работы и предмет защиты составляют:

1. Результаты анализа напряженно-деформированного состояния стенок и опорных элементов предлагаемого бункера, которые позволили упростить определение усилий в стенках бункера и уточнить опорные реакции бункера.

2. Исследование физико-механических свойств материалов заполне ния и стенки модели круглого бункера: отсева, песка и чертежной бумаги.

3. Методика испытания модели круглого бункера.

4. Методика определения оптимальных параметров стального круглого бункера.

Практическая ценность работы заключается в разработке:

- принципиально новой конструкции стального круглого бункера, подтвержденной патентом России на изобретение [1];

- инженерной методики расчета конструкций предлагаемого бункера. в том числе с учетом отпора сыпучего материала заполнения.

Внедрение результатов. Результаты исследований использованы при разработке методического руководства по конструированию и расчету стального круглого бункера [5]. Методическое руководство рекомендовано в практику проектирования институтов Проектстальконструкция и Урал-механобр, а также в учебный процесс.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и представлены на областных и городских научно-технических конференциях в гг. Екатеринбург и Магнитогорск, 2000 . 2004 гг, а также опубликованы в центральной печати.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ. Получен 1 патент на изобретение.

Объем диссертации. Диссертация состоит из двух томов. Первый том изложен на 146 страницах текста, отпечатанного на принтере ЭВМ, содержит 59 рисунков, 22 таблицы, список литературы из 102 наименований, во втором томе приведены приложения с выводами формул

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается определение бункера. Приводится формальное различие между бункером и силосом, которое приводит к принципиальному отличию соответствующих расчетных схем. Обоснована актуальность темы диссертации.

В первой главе приводятся конструктивные решения стальных бункеров и существующие методики их расчета. Акцент делается на малоизу-ченность круглых бункеров, которые остановились в своем развитии на уровне 1930-х годов.

Основная идея расчетной схемы, представленная Лессигом Е.Н в 1930 г и продублированная в последних работах авторами Беленя Е И., Горев В В , Веденников ГС, Шишкин Ю Г., Кузнецов В В , исходи! rol о.

что круглый бункер рассчитывается по плоской схеме. Это значит, что вся нагрузка от конструкций воронки передается на цилиндрическую часть, которая рассматривается как кольцевая в плане балка, покоящаяся на нескольких точечных опорах (рис. 1 ,а,б). Такая конструкция приводит к следующим недостаткам в проектировании и строительстве:

1. В литературных источниках по расчету бункеров практически отсутствует строгая методика расчета опорной зоны круглого бункера.

2. Неизбежна силовая связь между конической и цилиндрической частями бункера, рассчитываемая на усилия

3. Необходимо кольцо жесткости - для восприятия горизонтальной составляющей воздействия конической части на цилиндрическую

4. В статическом расчете опорные реакции определяются как среднее арифметическое значение от веса бункера. Рекомендуется вводить коф-фициент неравномерности к опорной реакции до 1,5. Это показывает отсутствие методики в определении опорных реакций бункера при различных условиях опирания, т.е. при разных жесткостях опор и основания.

5 В месте сопряжения конуса с цилиндром появляется значительный краевой эффект (здесь стенка конуса граничит со стенкой цилиндра, кольцом жесткости, опорным ребром).

6. Не учитывается несущая способность сыпучего материала заполнения, как материала, способного принять часть горизонтальной составляющей веса бункера с заполнителем

7. То обстоятельство, что нагрузка от веса сыпучего материала передается на цилиндрическую часть, приводит к тому, что коническая воронка не может быть использована как отдельная емкость. Поэтому цилиндрическая часть создается нередко искусственно для выполнения функции бункерной балки.

Во избежание этих недостатков предлагается принципиально новая конструкция стального круглого бункера, в которой несущие функции передаются конической воронке (рис 1,в,г).

В конце главы сформированы цели и задачи работы, направленные на разработку обоснованной методики инженерного расчета предлагаемой конструкции стального круглого бункера.

Рис.1. Работа конструкций традиционного (а,б) и предлагаемого (в,г) бункеров в вертикальном направлении

а) и в) - схемы нагрузок и опорных реакций; б) и г) - расчетные схемы цилиндрической и конической частей;

Р - вес бункера с сыпучим материалом; Ч - усилие на стыке конической и цилиндрической частей;%- И С)в - проекции силы q соответственно на вертикаль и на горизонталь; V и Т - опорные реакции; рг' -скатная составляющая нагрузки от сыпучего материала. Ограждающие конструкции показаны пунктирными линиями

Во второй главе приведены геометрические параметры стального круглого бункера для общего случая наклонной воронки и частного случая прямой воронки. Геометрические параметры для общего случая наклонной воронки представлены на рис. 2. Аналитические выражения, описывающие

эти параметры, приведены в тексте диссертации. Все они получены автором. Некоторые из этих выражений представлены ниже.

Рис. 2. Геометрические параметры бункера. Общий случай

Для верхнего основания воронки (эллипса) (разрез 1-1) приведены следующие выражения

2■H■tgв■sin2 р

(1)

со$20 + со$2в

где ^ - расстояние от начала координат Оо до середины большой оси эллипса О;

(2)

где - угол наклона касательной в произвольной точке эллипса к

оси х\

где - момент инерции верхнего основания воронки как тонкостенного эллипса толщиной I.

Для бункера в целом характерны следующие выражения

( ¡т 26-$т2в со$ ш. V 2($т В ■ ¡¡п ш, /

соз2Р + сов 26

соз2р + со5 29

(4)

где а, - переменный угол наклона образующей конуса к горизонту;

3 /-Л'

Нт2в соя 2 Р + соя 26

(5)

, 4 /-4Л

где - абсцисса проекции центра тяжести бункера на горизонтальную плоскость верхнего основания воронки;

ив -А Н(1 -Ао3)/3 - объем конической части (воронки); - объем цилиндрической части; к-г2

А = -

- площадь эллипса.

Для элементарного объема (заштрихован на рис. 2) характерно следующее выражение:

где х0" - абсцисса проекции центра тяжести бункера на горизонтальную плоскость верхнего основания.

Остальные составляющие формул по рис. 2.

Приводится следующая классификация нагрузок, действующих на бункер.

1. Активные нагрузки:

- действующие на перекрытие или кровлю;

- от сыпучего материала заполнения;

- от площадок и оборудования, подвешенного к бункеру;

- атмосферные (ветер, снег по СНиП).

2. Пассивные нагрузки:

- опорные реакции;

- пассивный отпор (распор) сыпучего материала.

Для предложенной конструкции бункера найдена закономерность распределения усилий в кольцевом и в меридиональном направлениях от действия активных нагрузок. Задача решена для случаев с наклонной и прямой воронками (рис. 3). Значения максимальных усилий в стенках прямой конической воронки при опирании в верхней зоне приведены ниже.

При опирании в верхней зоне выражения имеют вид

(7)

где максимальное значение кольцевого усилия;

1%а '

ки -(соят'а) - коэффициент нормального давления сы-

пучего материала,

- удельный вес сыпучего материала заполнения;

а - угол наклона стенок прямого конуса к горизонту.

З-С?

N

шке - , , № ЬфУ , 16-кн

где - максимальное значение меридионального усилия.

Остальные обозначения по формуле 7.

■ меридиональное усилие при подвешивании конуса к цилиндру (при традиционной конструкции бункера);

Рис. 3. Эпюры усилий при опирании бункера в верхней зоне воронки

Для определения опорных реакций бункера (пассивные нагрузки) использован принцип распределения силовою мотора на составляющие силы и пары, где опоры бункера принимаются упругоподатливыми. Задача решена аналитически двумя способами. Оба способа подтверждаются расчетом на ЭВМ.

В месте сопряжения конуса с цилиндром определены усилия краевого эффекта. Задача решена методом сил. Расчеты показали, что для предложенной конструкции бункера напряжения от усилий краевого

месте сопряжения конуса с цилиндром незначительны и ими можно пренебречь.

В третьей главе предложена методика расчета стенок бункера как пространственной конструкции. Предложено учитывать взаимную податливость (жесткость) опор для уточнения значений опорных реакций.

Новый подход к расчету стенок на действие активных нагрузок сводится к расчету конической и цилиндрической частей.

Стенки цилиндрической части рассчитываются на прочность и устойчивость по следующим формулам.

Расчет на прочность

где - приведенное напряжение;

- " - напряжение в кольцевом направлении;

- напряжение в меридиональном направлении;

- расчетное сопротивление стыкового сварного шва растяжению по пределу текучести;

X, - 1,3 - коэффициент надежности по нагрузке для бункеров;

- коэффициент условий работы для резервуаров (бункеров).

Расчет на устойчивость

<Ти<Гс-°сг, 00)

где - критическое напряжение;

- коэффициент, учитывающий удерживающее влияние за счет упругости сыпучего материала;

- коэффициент постели сыпучего материала;

- модуль упругости стали;

- модуль деформации сыпучей среды;

- толщина стенки цилиндрической части.

Стенка конической части за пределами опорной зоны рассчитывают лишь на прочность по следующей формуле

С т> - сг и

>пр ' "ик - 'Ус > (И)

где - напряжение в стенке от максимального из усилий мери-

дионального или кольцевого направлений.

Толщина стенки конической воронки равна

, У/

> 4 мм,

(12)

Ус ' К-яу

где - максимальное из усилий кольцевою или меридионально-

го направлений (7) и (8);

Остальные величины по формуле (9).

Новый подход к расчету стенок на действие пассивных нагрузок (при опирании в верхней зоне) сводится к определению толщин конической оболочки в опорном участке, опорной зоне и за ее пределами oт дейст-ствия опорной реакции. Этот подход отражает пространственную работу воронки.

Стенку конуса для упрощения расчетов представляют разверткой (рис. 4) и для нее определяют следующие параметры.

Толщина опорного участка (заштрихована) равна

У/ кср

6 мм,

2-Ип

- толщина опорного участка стенки; кср -1,5 - коэффициент концентрации касательных напряжений;

(13)

Т - скатная составляющая опорной реакции бункера;

Я - расчетное сопротивление стали срезу по пределу текучести; - длина приложения опорной реакции (линия подвеса).

Рис. 4. Расчетная схема стенки конической части при опирании бункера в верхней зоне воронки

Толщина опорной зоны принимается максимальной из условий

где ДР/ - ' р ■ 5, • сг%а х [ЗЛЦ (25 - 5,)+5, (1 + к)(35 - 25,) ип «] -

на-

грузка от сыпучего материала, действующая на 0,5 площади опорного участка;

к, =0 58

К м ) V

- переходной коэффициент от нормаль-

ных напряжений к касательным;

- высота опорного участка;

- половина ширины опорного участка;

- расчетное сопротивление стыкового сварного шва растяжению по пределу текучести.

- наибольшее из кольцевых усилий в пределах опорного

участка.

Остальные обозначения по рис 4

Разработана методика расчета опорных конструкций бункера - балок или колонн В расчете колонны предложено учитывать отпор сыпучего материала.

Расчет колонны с учетом отпора сыпучего материала представлен на рис. 5 и формуле (15)

(15)

где - площадь действия опорной реакции принимается равной площади утолщенной части листа стенки опорной зоны (рис. 4);

- коэффициент постели сыпучего материала;

- жесткость колонны на изгиб.

Рис. 5. Новый расчет колонны с упругоподатливой связью а) расчетная схема; б) эквивалентная система метода сил; в) единичная эпюра г) грузовая эпюра

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований моделей бункеров.

Испытания установки круглого бункера (рис. 6) качественно и количественно подтвердили основные предпосылки расчетной схемы предлагаемой конструкции круглого бункера.

Рис. 6. Установка для испытания

Качественный результат заключается в следующем:

- при опирании заполненного бункера через воронку последняя служит несущей конструкцией как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. В горизонтальном направлении воронка воспринимает активное давление сыпучего материала, а в вертикальном - отпор

опоры (колонны);

- сыпучий материал заполнения бункера частично воспринимает распор - горизонтальную составляющую опорной реакции в статическом положении;

- сыпучий материал повышает живучесть конструкций бункера. Эксперименты продемонстрировали устойчивость конструкции даже при значительных деформациях его стенок.

Количественный результат следующий:

- зафиксирован объем сыпучего материала в бункере, ниже которого сыпучий материал перестает выполнять роль распорки;

- результаты расчета экспериментальной модели бункера на ЭВМ показали следующее:

а) главные напряжения в опорной зоне воронки не превышают временного сопротивления растяжению стенки из чертежной бумаги;

б) теоретические деформации стенок воронки близки к экпери-ментальным.

В пятой главе выполнен технико-экономический анализ и получены аналитические выражения оптимальных параметров круглых бункеров по критерию минимума расхода стали.

Для стального круглого бункера, рассчитанного и законструиро-ванного с учетом пространственной работы конструкции воронки, получены аналитические выражения габаритных размеров, обеспечивающих минимум расхода стали.

Проанализированы последствия отклонения фактических параметров от оптимальных значений. Так при отклонении фактического радиуса от оптимального значения на 20% в большую сторону и на 17% в меньшую сторону перерасход стали не превысит 5%.

Оптимальный радиус конической воронки определяют по формуле

где

8 - , 5 = 1,]- без футеровки стенок конуса, 8 >11 - с футеровкой,

1,1 - конструктивный коэффициент на усиление опорных зон cтe-нок конуса,

и" - объем бункера с полным конусом.

Во втором томе приведены Приложения А, Б, В, Г, Д, где представлены выводы основных формул диссертации, а также приведен пример расчета бункера по предложенной методике.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Автором работы предложена принципиально новая конарукция стального круглого бункера с опиранием на коническую часть, которая позволяет, экономить сталь, упростить конструкцию бункера, использовать сыпучий материал заполнения в качестве несущего элемента бункера, компоновать бункера в многоячейковые системы.

Новизна конструкции подтверждена патентом на изобретение России №2219320 [1].

2. Для предложенной конструкции стального круглого бункера автором получены основные аналитические выражения для геометрических параметров общего случая наклонной воронки и частного случая прямой воронки.

3 Автором впервые найдена закономерность распределения усилий в кольцевом и в меридиональном направлениях воронки от действия активных нагрузок.

4 Опорные реакции статически неопределимого бункера автор предлагает определять аналитически с использованием принципа распределе-

ния силового мотора на составляющие силы упругости двумя способами. Расчеты на ЭВМ подтверждают достоверность обоих способов.

5. Усилия краевого эффекта в месте сопряжения конуса с цилиндром, вычисленные методом сил, незначительны и ими можно пренебречь.

6. Автор теоретически обосновал возможность использования сыпучего материала в качестве несущего элемента бункера.

7. Экспериментальными исследованиями опорных зон модели бункера автором подтверждена возможность использования: 1)воронки в качестве несущей конструкции; 2) сыпучего материала в качестве несущего элемента бункера. Также определен минимальный объем заполнения бункера, при котором сыпучий материал может быть несущим элементом бункера.

8. Экспериментально подтверждено, что сыпучий материал повышает живучесть предложенной конструкции бункера.

9. В рамках эксперимента исследованы физико-механические свойства сыпучего материала заполнения, а также прочностные характеристики чертежной бумаги, использованной в качестве стенок бункера.

10. Для проверки основополагающих предпосылок был выполнен расчет модели бункера по программе "Лира-Windows" на статическую нагрузку от сыпучего материала заполнения. В рамках этой программы последний был представлен: в первом случае коэффициентом постели (жесткости) конечных элементов стенки воронки, во втором случае упругим телом по размерам воронки бункера.

Результаты расчета на ЭВМ показали следующее:

- главные напряжения в опорной зоне модели бункера не превышают временного сопротивления растяжению чертежной бумаги;

- деформации опорной зоны близки реальному поведению модели бункера.

11. По результатам экспериментально-теоретических исследований работы разработан инженерный метод расчета круглого бункера с учетом

пространственной работы воронки и отпора сыпучего материала заполнения.

12. Автором получены аналитические выражения оптимальных параметров стального круглого бункера, а также параметры бункера с конструктивной и расчетной стенкой воронки.

И. Пользование разработанной методикой расчета продемонстрировано на примере расчета. За аналог принят круглый бункер, запроектированный для Режевского ДСЗ по традиционной методике Для данного конкретного случая предложенная конструктивная методика расчета обеспечивает экономию стали почти вдвое по сравнению с традиционной конструкцией и методикой расчета бункера.

14. Методика рекомендована в пракшку проектирования ипстиптов НППЦ «Уралмеханобр-инжиниринг» и ЗАО «Проектстальконструкция»

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ:

1. Ягофаров А.Х. Патен1 на изобретение №2219320. Стальной круглый бункер для сыпучих и кусковых материалов.

2. Ягофаров А.Х., Ягофаров X. К вопросу о совершенствовании конструкции и уточнении расчета стального круглого бункера. // Известия вузов. СТРОИТЕЛЬСТВО, 2003, №10. С. 13 - 17.

3. Ягофаров А.Х., Скоробогатов СМ., Ягофаров X. Расчет стального круглого бункера. // Предотвращение аварий зданий и сооружений Межвузовский сборник научных трудов. МГТУ. Магнитогорск, 2003. - С. 89 98.

4 Ягофаров А.Х., Скоробогатов СМ. Экспериментальные исследования стального круглого бункера. // Шестая студенческая научно-практическая конференция. Строительство, архитектура, образование. УГ-ТУ-УПИ. Екатеринбург, 2003. - С. 11 12.

5. Ягофаров А.Х., Скоробогатов СМ., Ягофаров X. Методическое руководство по расчету и конструированию стальных круглых бункеров. Пример расчета. Екатеринбург, УрГУПС, 2004.

6. Ягофаров А.Х. Конструкция и расчет круглого бункера. // Фундаментальные и прикладные исследования транспорту - 2000. Презентации университета посвящается. Труды всероссийской научно-технической конференции. Часть1 УрГУПС. Екатеринбург, 2000. - С. 509.

Ягофаров Анвар Хабидович

Совершенствование конструкции, уточнение расчета и оптимальные параметры стального круглого бункера

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Подписано в печать 21.02.05 Формат 60x84 1/16 Бумага писчая Плоская печать Тираж 100 Заказ 41

Редакционно-издательский отдел 620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66, УрГУПС

25.2.5

1102

Том 1 стр.

Введение.

Глава 1. Обзор конструктивных решений и способов расчета бункеров.

1.1. Конструктивные решения.

1.2. Существующая методика расчета.

1.3. Некоторые недостатки из опыта проектирования и строительства.

1.4. Предлагаемая конструкция бункера.

1.5. Цели и задачи работы.

Глава 2. Геометрические параметры и анализ напряженно-деформированного состояния бункера.

2.1. Геометрические параметры бункера. Общий случай.

2.2. Геометрические параметры бункера с воронкой в виде прямого конуса.

2.3. Нагрузки, действующие на бункер.

2.3.1. Активные нагрузки.

2.3.2. Пассивные нагрузки.

2.4. Усилия в элементах бункера от действия активных нагрузок.

2.4.1. Определение усилий в стенках бункера с прямой воронкой.

2.4.2. Определение усилий в стенках бункера с наклонной воронкой.

2.4.3. Краевой эффект.

2.5. Выводы.

Глава 3. Предложения по совершенствованию конструкции и уточнению расчета.

3.1. Расчет стенок бункера на действие активных нагрузок.

3.1.1. Расчет стенок цилиндрической части.

3.1.2. Расчет стенок конической части при опирании в верхней зоне.

3.1.3. Расчет стенок конической части при опирании в средней зоне.

3.1.4. Расчет стенок с учетом краевого эффекта.

3.2. Расчет стенок воронки на действие пассивных нагрузок — опорных реакций бункера.

3.2.1. Расчет стенок при опирании бункера верхней зоной конической части. Учет пространственной работы воронки.

3.2.2. Расчет стенок при опирании бункера средней зоной конической части. Учет пространственной работы воронки.

3.2.3. Расчет стенок при опирании бункера цилиндрической частью. Учет пространственной работы бункера.

3.3. Расчет опорных конструкций бункера.

3.3.1. С учетом отпора сыпучего материала.

3.3.2. Без учета отпора сыпучего материала.

3.4. Учет сыпучего материала заполнения как несущего элемента бункера.

3.4.1. Понятие сыпучего тела.

3.4.2. Учет грунтового основания в программном комплексе

Лира - Windows".

3.4.3. Соотношения между значениями жесткости оболочки и коэффициентом постели сыпучего материала.

3.5. Выводы.

Глава 4. Экспериментальная проверка предпосылок.

4.1. Испытание установки круглого бункера.

4.1.1. Цель испытания.

4.1.2. Установка для испытания.

4.1.3. Сыпучий материал заполнения.

4.1.4. Материал стенок конуса и цилиндра.

4.2. Методика испытаний.

4.3. Результаты испытаний.

4.4. Выводы.

Глава 5. Технико-экономический анализ.

5.1. Параметры бункера с конструктивной и расчетной стенками.

5.2. Сравнительный анализ.

5.3. Выводы.

Во многих отраслях промышленности и сельского хозяйства возникает потребность в хранении сырья и продуктов производства. Наиболее подходящими сооружениями для этих целей служат бункера. Большое распространение получили стальные бункера как наиболее удобные в изготовлении и эксплуатации. Они широко используются в горнорудной, металлургической и строительной промышленности.

Под бункером понимают вместилище для бестарного хранения сыпучих и кусковых материалов, разгружающееся через нижнюю часть, оборудованную затвором или питателем. Можно выделить три основных назначения бункера:

- аккумуляция сыпучего материала;

- распределение сыпучего материала по технологическим точкам в агрегаты (к примеру, подача на дробилки или мельницы);

- усреднение сыпучего материала (пассивное).

Родственной конструкцией является силос. Формально граница между ними определяется высотой цилиндрической или призматической части и, как

4. минимум, тремя соотношениями:

- по данным [60] бункером считают емкость, у которой hl(<l,5 [F, где Иц и F соответственно высота и площадь горизонтального сечения цилиндра (призмы);

- в соответствии с [70] высота цилиндрической (призматической) части бункера не превышает величины Иц<1,5АХ(У), где АХ(У) — меньшая сторона горизонтального сечения цилиндра (призмы);

- литературный источник [34] рекомендует пользоваться еще одним соотношением для определения высоты цилиндрической (призматической) части бункера Иц<Ах(у)-tgcp, где <р- угол внутреннего трения сыпучего материала.

Это формальное различие между бункером и силосом приводит к принципиальному отличию соответствующих расчетных схем. Так в бункере, в отличие от силоса, пренебрегают силами трения сыпучего материала о стенки цилиндрической части.

Для улучшения условий истечения сыпучего материала бункера и силосы заканчиваются внизу суживающейся частью, называемой воронкой. Опорожнение бункеров и силосов производится самотеком через расположенные в нижней части воронки специальные разгрузочные отверстия, снабженные затвором или питателем [9]. Наименьший угол наклона стенки воронки к горизонту обычно на 5-10° превышает угол естественного откоса сыпучего материала <р. Разгрузочные отверстия в зависимости от вида разгрузочного устройства и механических характеристик сыпучего материала могут иметь круглую, квадратную, прямоугольную или вытянутую (щелевую) в плане форму.

Для защиты стенок бункеров и силосов от истирания применяют футеровку — стальную, деревянную, резиновую, каменного литья, пластмассовую [6,16,52,69,75]. Для истечения плохосыпучих материалов используются различные побудительные устройства [1,26,49].

Данная работа посвящена стальным круглым бункерам. Стальной круглый бункер является одним из экономичных видов емкостей для сыпучих материалов. Кроме того, круглому бункеру свойственно улучшенное истечение сыпучего материала, простота изготовления, ровная поверхность.

Однако круглые бункера применяются сравнительно редко по двум причинам. Во-первых, они плохо объединяются в многоячейковые системы и не могут обеспечить хранение большого объёма сыпучего материала. Во-вторых, отсутствует чётко обоснованная расчётная схема и соответствующий инженерный метод расчёта бункера на действие опорных реакций. Последнее обстоятельство порождает некоторое недоверие у проектировщиков к надёжности конструкции и, как следствие, малый объём их использования. Предпочтение отдаётся пирамидально-призматическому бункеру, по которому накоплен большой опыт проектирования, строительства и эксплуатации [60,63].

Настоящая работа посвящена совершенствованию конструкции и уточнению расчета стального круглого бункера. Впервые сделана попытка учесть сыпучий материал заполнения как несущий элемент бункера. В связи с чем возникла необходимость в исследовании основных свойств сыпучего материала. Кроме того, от свойств сыпучего материала зависят нагрузки на бункер.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Автором работы предложена принципиально новая конструкция стального круглого бункера с опиранием на коническую часть, которая позволяет: экономить сталь, упростить конструкцию бункера, использовать сыпучий материал заполнения в качестве несущего элемента бункера, компоновать бункера в многоячейковые системы.

Новизна конструкции подтверждена патентом на изобретение России №2219320 [6].

2. Для предложенной конструкции стального круглого бункера автором получены основные аналитические выражения для геометрических параметров общего случая наклонной воронки и частного случая прямой воронки.

3. Автором впервые найдена закономерность распределения усилий в кольцевом и в меридиональном направлениях воронки от действия активных нагрузок.

4. Опорные реакции статически неопределимого бункера автор предлагает определять аналитически с использованием принципа распределения силового мотора на составляющие силы упругости двумя способами. Расчеты на ЭВМ подтверждают достоверность обоих способов.

5. Усилия краевого эффекта в месте сопряжения конуса с цилиндром, вычисленные методом сил, незначительны и ими можно пренебречь.

6. Автор теоретически обосновал возможность использования сыпучего материала в качестве несущего элемента бункера.

7. Экспериментальными исследованиями опорных зон модели бункера автором подтверждена возможность использования: 1)воронки в качестве несущей конструкции; 2) сыпучего материала в качестве несущего элемента бункера. Также определен минимальный объем заполнения бункера, при котором сыпучий материал может быть несущим элементом бункера.

8. Экспериментально подтверждено, что сыпучий материал повышает живучесть предложенной конструкции бункера.

9. В рамках эксперимента исследованы физико-механические свойства сыпучего материала заполнения, а также прочностные характеристики чертежной бумаги, использованной в качестве стенок бункера.

10. Для проверки основополагающих гипотез был выполнен расчет модели бункера по программе "Лира-Windows" на статическую нагрузку от сыпучего материала заполнения. В рамках этой программы последний был представлен: в первом случае коэффициентом постели (жесткости) конечных элементов стенки воронки, во втором случае упругим телом по размерам воронки бункера.

Результаты расчета на ЭВМ показали следующее:

- главные напряжения в опорной зоне модели бункера не превышают временного сопротивления растяжению чертежной бумаги;

- деформации опорной зоны близки реальному поведению модели бункера.

11. По результатам экспериментально-теоретических исследований работы разработан инженерный метод расчета круглого бункера с учетом пространственной работы воронки и отпора сыпучего материала заполнения.

12. Автором получены аналитические выражения оптимальных параметров стального круглого бункера, а также параметры бункера с конструктивной (t=4MM) и расчетной стенкой воронки.

13. Пользование разработанной методикой расчета продемонстрировано на примере расчета. За аналог принят круглый бункер, запроектированный для Режевского ДСЗ по традиционной методике. Для данного конкретного случая предложенная конструктивная методика расчета обеспечивает экономию стали почти вдвое по сравнению с традиционной конструкцией и методикой расчета бункера.

14. Методика рекомендована в практику проектирования институтов Уралмеханобр-инжиниринг и Проектстальконструкция.

1. Алферов К.В. Бункеры, затворы, питатели. — М.: Машгиз, 1946. — 178 с.

2. Алферов К.В., Зенков Р.Л. Бункерные установки. — М.: Машгиз, 1955.308 с.

3. Астряб М.Ю., Ушаков Н.А. К унификации сборных железобетонных бункеров.// Промышленное строительство, 1963, №10.

4. Бабков В.Ф., Быковский Н.И., Гербурт-Гейбович А.В., Тулаев А.Я. Грунтоведение и механика грунтов. — М.: Изд-во Дорожно-технической литературы, 1950.-813 с.

5. Бармин И.В., Борисов А.С., Заборин А.Ф., Козлов И.А., Лютиков A.M., Макаров В.В, Полторак П.В., Севьянц А.В., Шевченко А.А. Силос для хранения сыпучих материалов. Авторское свидетельство SU 1738984 А1.

6. Барон Л.И., Гиржель A.M. Износ и защита внутренних поверхностей угольных бункеров. -М.: Недра, 1974.

7. Беляев Б.И. Оптимальные размеры вертикальных цилиндрических резервуаров. // Промышленное строительство, 1968, №5.

8. Беляев Б.И. Стальные цилиндрические резервуары большой емкости из рулонных заготовок. // Монтажные и специальные работы в строительстве, 1968, №7.

9. Березин Ю.Л., Брижак О.В. Расчет разгрузочных устройств бункеров с учетом физико-механических свойств руды. // Обогащение руд, 1967, №2. — С. 33-35.

10. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗОВ М.: Наука - 1980. - 975с.

11. Ваганов А.П. Деревянные подвесные хранилища для сыпучих материалов.// Строительная промышленность, 1950, №10. С. 12 — 14.

12. Ваганов А.П. Сборные подвесные хранилища. — М.: Госстройиздат, 1955.-79 с.

13. Вахер А.И., Прейсфрейнд А.В. Бункер как кривая Вариньона. // Уголь, 1931, №69.-С. 109-111.

14. Вольмир А.С. Устойчивость деформируемых систем. — М.: Наука, 1967.-984 с.

15. Власов В.З. Тонкостенные пространственные системы. — М.: Гос-стройиздат, 1958. — 450 с.

16. Гиржель А., Марков К. Расчет величины износа футеровки угольных бункеров. //Промышленное строительство и инженерные сооружения, 1971, №5.-С. 34-36.

17. ГОСТ 8735 88*. Песок для строительных работ. Методы испытаний.

18. Гуревич M.JL, Горобцов A.M. Опыт крупноблочного монтажа параболических бункеров. // Монтажные и специальные работы в строительстве, 1970, №10.-С. 4-6.

19. Гурский А.Ф. Выбор оптимального очертания гибкого бункера и некоторые особенности его конструирования. // Промышленное строительство и инженерные сооружения, 1970, №1. — С. 31 — 33.

20. Гячев JI.B. Основы теории бункеров, Новосибирск.: Изд-во Новосиб. ун-та, 1992.-312 с.

21. Державин М.Н. К вопросу о работе параболических подвесных железных бункеров. // Внутризаводской транспорт и стальные конструкции, 1936, №10. — С.53 54.

22. Еремин К.И., Нищета С.А., Нащекин М.В. Металлические конструкции промышленных зданий, сооружений и кранов-перегружателей металлургического комплекса: Учеб. пособие. Магнитогорск: МГМА, 1997. — 110 с.

23. Ершов Л.В., Лисин А.А. О возможных способах улучшения работы бункеров. // Теплоэнергетика, 1964, №11. — С. 44 — 47.

24. Ждахин Л.П., Макаров Ю.Д. К уточнению давлений сыпучих материалов на стенки бункеров.// Строительная механика и расчет сооружений, 1978, №4.-С. 19-22.

25. Канторович З.Б. Бункера, питатели, затворы. ОНТИ, 1935. — 145 с.

26. Канторович З.Б. Расчет подвесных железных бункеров. ОНТИ, 1932. —42 с.

27. Киль Н.А. К вопросу об определении некоторых параметров гибкого бункера. // Строительная механика и расчет сооружений, 1974, №6. С. 74-75.

28. Клейн Г.К. Строительная механика сыпучих тел. — М.: Госстройиздат, 1956.-252 с.

29. Киселев В.А. К вопросу определения очертания подвесных цилиндрических бункеров и гидротехнических каналов. // Инженерный сборник АН СССР, том 1, вып. 1, 1941. С. 55 - 68.

30. Ковальский Б.С. Бункеры с гибкой стенкой. // Доклады АН СССР, том 1, вып. LXXVII, 1951, №6.-С. 981 -983.

31. Кондратюк Г.Г., Воронцов О.С. Стальные емкости для хранения зерна. // Промышленное строительство, 1969, №4. С. 18 - 20.

32. Корниенко B.C., Поповский Б.В. Сооружение резервуаров. — М.: Строийздат, 1971. — 224 с.

33. Лессиг Е.Н., Лилеев А.Ф., Соколов А.Г. Листовые металлические конструкции, М.: Стройиздат, 1970. — 488 с.

34. Липницкий М.Е., Абрамович Ж.Р. Железобетонные бункера и силосы. — Ленинград.: Стройиздат, 1967. — 354 с.

35. Магула В.Э. Москаленко А.Д. Статика гибких стенок под давлением несвязной сыпучей среды. // Строительная механика и расчет сооружений, 1970, №4.-С. 5-9.

36. Максимов А.П. Горнотехнические здания и сооружения. Недра, 1970. -312с.

37. Мельников Н.П. Развитие и совершенствование металлических конструкций. // Бюллетень строительной техники, 1970, №9. — С. 37 — 41.

38. Металлические конструкции. В 3 т. Т.1. Стальные конструкции зданий и сооружений.(Справочник проектировщика) / Под общей ред. В.В. Кузнецова (ЦНИИпроектстальконструкция им Н.П. Мельникова) М.: изд-во АСВ, 1998. — 576 стр. с илл.

39. Металлические конструкции. В 3 т. Т.2. Стальные конструкции зданий и сооружений.(Справочник проектировщика) / Под общей ред. В.В. Кузне цова (ЦНИИпроектстальконструкция им Н.П. Мельникова) М.: изд-во АСВ, 1998.-512 стр. с илл.

40. Металлические конструкции. Общий курс: Учебник для вузов / Под общ. ред. Е.И. Беленя. 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Стройиздат, 1986. — 560 е., ил.

41. Механика грунтов, основания и фундаменты / Под ред. С.Б. Ухова. — 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 2002. — 566 е.: ил.

42. Морозов К.Д. Гибкие металлические бункера. // Строительная промышленность, 1939, №1. С. 45 - 49.

43. Новиков И.М. Усовершенствование параболического бункера. // Горный журнал, 1961, №7. С. 76 - 77.

44. Обследование и испытание сооружений: Учеб. для вузов / О.В. Лужин, А.Б. Злочевский, И.А. Горбунов, В.А. Волохов; Под ред. О.В. Лужина. — М.: Стройиздат, 1987. -263 е.: ил.

45. Основания, фундаменты и подземные сооружения / Под общ. ред. Е.А. Сорочана и Ю.Г. Трофименкова. — М.: Стройиздат, 1985. 480 е., ил. — (Справочник проектировщика).

46. Пельтинович А.Г., Блехман М.Е. Под ред Цалалихинам С. Зависание сыпучих материалов в бункерах и пути его устранения. // Труды ЦНИИпром-зданий, вып. 10, 1967.-С. 104.

47. Пельтинович А.Г., Наризьян Э.А. Технико-экономическое сравнение конструкций железобетонных бункеров. // Промышленное строительство, 1971, №1.-С. 7-9.

48. Плишкин Ю.С. Параболические бункеры с жесткими разгрузочными воронками. ЦИНИС «Проектирование металлических конструкций», серия VII. Информационный реферативный сборник, вып. 9(17), 1969. — С. 35 — 50.

49. Полевой А.Д. Изменение футеровки стенок течек загрузочных бункеров. // Сборник рациональных предложений, внедренных в производство, ЦИ-ИН 4М, 1963, №12(149).

50. Рабочие чертежи реконструкции Режевского ДСЗ. Корпус обогащения. Схема расположения элементов бункеров: исп. ЗАО Hi 11 ИД Уралмеханобр-инжиниринг, 2001.

51. Раюк В.Ф. Метод экспериментального определения давления грунта на гибкие подпорные стенки. // Основания, фундаменты и механика грунтов, №2, 1961.

52. Рудницкий П.С. Бункеры и склады угольных шахт. Углетехиздат,1952.

53. Розенблит Г.Л. Металлические погрузочные бункеры. Углетехиздат, 1947.-86 с.

54. Розенблит Г.Л. Стальные конструкции зданий и сооружений угольной промышленности. Углетехиздат, 1953. — 272 с.

55. Руководство по проектированию железобетонных пространственных конструкций покрытий и перекрытий / НИИ бетона и железобетона Госстроя СССР. М.: Стройиздат, 1979. - 421 с.

56. Руководство по расчету и проектированию железобетонных, стальных и комбинированных бункеров / Ленпромстройпроект. М.: Стройиздат, 1983. — 200 с.

57. Свиридова Т.А., Привалов Ю.А. Монтаж шаровых резервуаров. — М.: Стройиздат, 1980. — 197 е., ил.

58. СНиП 2.01.07 85*. Нагрузки и воздействия / Госстрой России. — М.: ГУП ЦПП, 2002. - 44 с.

59. СНиП 2.09.03 85. Сооружения промышленных предприятий / Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 2000. - 56 с.

60. СНиП П-23-81*. Стальные конструкции / Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 2003. - 90 с.

61. Соколовский В.В. Статика сыпучей среды. Физматгиз, 1960. 243 с.

62. Соловьев Н.Б., Панкин И.Е. Расчет элементов металлических прямоугольных бункеров. // ЦИНИС. Строительное проектирование промышленных предприятий. Информационный выпуск, серия 1, 1969, №4. — С. 15-18.

63. Солодарь М.Б., Дудавский А.И. Резервы экономии при рабочем проектировании металлических конструкций. // Промышленное строительство, 1967, №11. -С. 24-25.

64. Солодарь М.Б. Решение жестких бункеров большой длины должны быть упорядочены. // Промышленное строительство, 1960, №11.

65. Солодов А.Я. Монтаж брони бункеров укрупненными блоками. // Монтажные и специальные работы в строительстве, №11, 1966.

66. Справочник проектировщика. Металлические конструкции / Под ред. Н.П. Мельникова. — М.: Стройиздат, 1980. 776 с.

67. Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. Расчетно-теоретический. В 2-х кн. Кн. 1. Под ред. А.А. Уманского. Изд. 2-е, переработ, и доп. М., Стройиздат, 1972. — 600 с.

68. Справочник проектировщика. Расчетно-теоретический. Под ред. А.А. Уманского. М.: Стройиздат, 1960. - 1040 с.

69. Телоян А.Л. Металлодеревянная балка с гибкой стенкой. // Известия вузов. СТРОИТЕЛЬСТВО, 2002, №11. С. 144 - 146.

70. Указания по проектированию силосов для сыпучих материалов. СН 302-65. Стройиздат, 1965.-51 с.

71. Указание по проектированию стальных противоизносных футеровок бункеров предприятий рудоподготовительной промышленности. СУ 3 — 61. Механобр, Ленинград, 1962.

72. Фрей А.Г. Висячие покрытия. Госстройиздат, 1960. — 179 с.

73. Фролов А.Г. Горно-технические здания и сооружения угольных шахт. Углетехиздат, 1948. 260 с.

74. Хавин Я.М. Сооружения и здания на поверхности шахт. Углетехиздат,1950.

75. Хуберян К.М. К расчету безмоментного цилиндрического бункера. // Известия Тбилисского научно-исследовательского института сооружений и гидроэнергетики, 1948, №2. — С. 13 — 16.

76. Шебуев Б.А. Железобетонные резервуары, бункеры и силосы. Расчет и конструирование. ОНТИ, 1935.

77. Ягофаров А.Х. Вопросы совершенствования стального круглого бункера. // Предотвращение аварий зданий и сооружений. Межвузовский сборник научных трудов. МГТУ. Магнитогорск, 2001. С. 39 - 44.

78. Ягофаров А.Х. Конструкция и расчет круглого бункера. // Фундаментальные и прикладные исследования транспорту — 2000. Презентации университета посвящается. Труды всероссийской научно-технической конференции. Часть 1. УрГУПС. Екатеринбург, 2000. С. 509.

79. Ягофаров А.Х. Испытание модели круглого бункера. // Молодые ученые транспорту. Труды научно-технической конференции. УрГУПС. Екатеринбург, 2003. - С. 105 - 111.

80. Ягофаров А.Х. Патент на изобретение №2219320. Стальной круглый бункер для сыпучих и кусковых материалов.

81. Ягофаров А.Х. Усилия в элементах стального круглого бункера. // Молодые ученые — транспорту. Труды научно-технической конференции. Том 1. УрГУПС. Екатеринбург, 2001 С. 430 - 435.

82. Ягофаров А.Х., Скоробогатов С.М. Экспериментальные исследования стального круглого бункера. // Шестая студенческая научно-практическая конференция. Строительство, архитектура, образование. УГТУ-УПИ. Екатеринбург, 2003. С. 11-12.

83. Ягофаров А.Х., Скоробогатов С.М., X. Ягофаров. Предложения по расчету стального круглого бункера. // Сборник научных трудов. Строительство и образование. Уральское Отделение АСВ. Екатеринбург, 2003. — С. 56 — 57.

84. Ягофаров А.Х., Скоробогатов С.М., Ягофаров X. Расчет стального круглого бункера. // Предотвращение аварий зданий и сооружений. Межвузовский сборник научных трудов. МГТУ. Магнитогорск, 2003. — С. 89-98.

85. Ягофаров А.Х., Ягофаров X. К вопросу о совершенствовании конструкции и уточнении расчета стального круглого бункера. // Известия вузов. СТРОИТЕЛЬСТВО, 2003, №10. С. 13 - 17.

86. Ягофаров А.Х., Ягофаров X. Технико-экономический анализ стального круглого бункера. // Предотвращение аварий зданий и сооружений. Межвузовский сборник научных трудов. МГТУ. Магнитогорск, 2003. — С. 109 — 118.

87. Ягофаров А.Х., Ягофаров X. Эффективность уточнения расчета стального круглого бункера. // Предотвращение аварий зданий и сооружений. Межвузовский сборник научных трудов. МГТУ. Магнитогорск, 2003. — С. 98 — 109.

88. Ягофаров А.Х., Ягофаров X. Эффективность уточнения расчета стального круглого бункера. Восьмые уральские академические чтения. Энер-го-и ресурсосбережения в архитектуре и градостроительстве. Уральское Отделение РААСН. Екатеринбург, 2003. С. 173 - 183.

89. Ягофаров X. Гибкие бункера. М., Стройиздат, 1980, 168 с.

90. Ягофаров X. О диагональном распоре в пирамидально-призматическом бункере. // Известия вузов. Строительство и архитектура, 1989, №9.-С. 126-129.

91. Ягофаров X. Распределение силового мотора на силы упругости заданных направлений. // Известия вузов. СТРОИТЕЛЬСТВО, 1998, №8. С. 128 - 133.

92. Ягофаров X. Стальной пирамидально-призматический бункер как пространственная система. 1998. — 314 с.

93. Ягофаров X. Статическая несимметричность геометрически симметричного пирамидально-призматического бункера. // Известия вузов. СТРОИТЕЛЬСТВО, 1997, №3. С. 114 - 119.

94. Ягофаров X., Шварцман М.И. Стальной пирамидально-призматический бункер без бункерных балок. // Промышленное строительство, 1989, №4. — С. 11 12.

95. J.M. Rotter. Critical design features of steel industrial storage structures, Forth Rail Bridge Centenary Conference, August, 1990. p. 909 - 928.

96. C.J. Brown, E.H. Lahlouh and J.M. Rotter. Experiments on a square plan-form steel silo, 1997. 32 p.

97. Банников Д.О., Казакевич М.И. Расчет пирамидально-призматических бункеров методом конечных элементов. — Днепропетровск: Наука образование, 2003. — 150 с.

98. Ягофаров А.Х., Скоробогатов С.М. Экспериментальные исследования круглого бункера. Девятые уральские академические чтения. Инновации в архитектуре и строительстве. Уральское региональное отделение РААСН. Екатеринбург, 2004. С. 207 - 216.61..05-5 2/86

99. Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения» Министерства путей сообщения Российской Федерации (УрГУПС МПС РФ)1. На правах рукописи1. Ягофаров Анвар Хабидович

100. Совершенствование конструкции, уточнение расчета и оптимальные параметры стального круглого бункера. Том 20523.01 Строительные конструкции, здания и сооружения

101. ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

102. Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ, член-корреспондент РААСН,доктор технических наук, профессор Скоробогатов С.М.1. Екатеринбург 2005 г.1. СОДЕРЖАНИЕстр.